UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE TECNOLOGIA E RECURSOS NATURAIS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL E
AMBIENTAL
CAMPUS I – CAMPINA GRANDE
ÁREA GEOTÉCNICA
ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE MISTURAS
ASFÁLTICAS COM CAP 50/70 MODIFICADO POR POLÍMERO
REATIVO/ NÃO-REATIVO E ÁCIDO POLIFOSFÓRICO
MIRTES AILA RODRIGUES DE CARVALHO
MIRTES AILA RODRIGUES DE CARVALHO
ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE MISTURAS
ASFÁLTICAS COM CAP 50/70 MODIFICADO POR POLÍMERO
REATIVO/ NÃO-REATIVO E ÁCIDO POLIFOSFÓRICO
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil e Ambiental da Universidade Federal de Campina Grande, como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil e Ambiental
Prof. Dr. John Kennedy Guedes Rodrigues Orientador Prof. Dr. Ana Maria Gonçalves Duarte Mendonça Coorientadora
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELO BIBLIOTECÁRIO GUSTAVO DINIZ DO NASCIMENTO CRB - 15/515
C331e Carvalho, Mirtes Aila Rodrigues de.
Estudo das propriedades mecânicas de misturas asfálticas com CAP 50/70 modificado por polímero reativo/não-reativo e ácido polifosfórico / Mirtes Aila Rodrigues de Carvalho. – Campina Grande, 2018.
107 f. : il. color.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil e Ambiental) – Universidade Federal de Campina Grande, Centro de Tecnologia e Recursos Naturais, 2018.
"Orientação: Prof. Dr. John Kennedy Guedes Rodrigues, Profa. Dra. Ana Maria Gonçalves Duarte Mendonça".
Referências.
1. Ligante de Alto Desempenho. 2. Polímero Reativo. 3. Ligante Asfáltico. I. Rodrigues, John Kennedy Guedes. II. Mendonça, Ana Maria Gonçalves Duarte. III. Título.
DEDICATÓRIA
À Deus e aos meus pais Morizalton e Ana Maria, que me ensinaram os conhecimentos da integridade e da perseverança, a acreditar nos meus sonhos e com muito amor e esforço me prepararam para a vida. As minhas irmãs Maria Antônia e Mariane e ao meu amor, meu noivo Douglas Brasil, que esteve sempre ao meu lado.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente à Deus, por abençoar a minha vida e por me ajudar a realizar os meus sonhos.
À minha família, que sempre será o meu maior presente e apoio, que me ensinou a ser forte, a ter caráter e incentivou a minha formação intelectual. Aos meus pais, Ana Maria e Morizalton, por toda dedicação e esforço para a conclusão dos meus estudos e das minhas irmãs.
Às minhas irmãs, Maria Antônia e Mariane, presentes em todos os momentos, sempre me apoiando e incentivando.
À Douglas Brasil, por ser meu melhor amigo, companheiro e noivo, por sua contribuição direta e indireta na realização desta pesquisa.
Aos meus orientadores, John Kennedy e Ana Maria, por todo ensino, apoio e contribuição nesta pesquisa e em minha formação. Meus sinceros agradecimentos.
Aos amigos do Laboratório de Engenharia e Pavimentos (LEP) da UFCG, Daniel, Christian Rafael, Conrado, Jadilson e Joseildo, por toda a ajuda na realização dos ensaios desta pesquisa, obrigada pelo apoio.
À todas as empresas que forneceram os materiais necessários ao desenvolvimento desta pesquisa.
A Érika Vitória de Negreiros Duarte por realizar os ensaios de ponto de amolecimento, penetração e recuperação elástica nos ligantes asfálticos 55/75 e os modificados nos teores de 1,8S74; 0,3SX mais 0,3 e 0,5 de ácido polifosfórico. Muito obrigada.
Ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil e Ambiental, pela oportunidade e Aprendizado.
A CAPES, pela bolsa de pesquisa, que ajudou em todos esses anos de dedicação ao estudo. Muito obrigada.
À todos que contribuíram direta ou indiretamente para a realização desta pesquisa, meus sinceros agradecimentos.
RESUMO
As misturas asfálticas com ligantes modificados por polímeros são cada vez mais utilizadas para satisfazer as necessidades crescentes do tráfego rodoviário, melhorando as condições de resistência, de durabilidade dos revestimentos asfálticos sob a ação de cargas pesadas. Os polímeros reativos/não-reativos e o ácido polifosfórico, em separado, são opções utilizadas como modificadores dos ligantes cujo o objetivo é melhorar as propriedades mecânicas da mistura asfáltica. No entanto, o uso combinado dos modificadores pode proporcionar melhores resultados que o uso individual. O objetivo desta pesquisa foi de avaliar o comportamento mecânico de misturas asfálticas quando modificadas por polímero reativo/não-reativo associados ao ácido polifosfórico como catalizador em diferentes teores. Para isso foram realizados ensaios físicos e mecânicos nos ligantes 50/70 com adição de Etileno Acrilato de Metila e Metacrilato de Glicidila (EMA-GMA) comercialmente conhecido por S74, Terpolímero de Alta densidade (SX500) e Ácido Polifosfórico (PPA116%), antes e após envelhecimento a curto prazo (RTFO) e nos ligantes 50/70, 55/75 sem a modificação. Foram dosadas misturas asfálticas com 1,8%S74, 0,3%SX500 associadas a teores variados de 0,15; 0,3 e 0,5% PPA116% e analisado o comportamento mecânico das misturas asfálticas por meio de ensaios de Resistência a Tração, Módulo de Resiliência, Módulo Dinâmico, Flow Number, Lotman Modificado e Desgaste Cântabro. Os resultados indicam que as misturas asfálticas com os ligantes modificados com polímero reativo/não-reativo associados ao ácido polifosfórico nos teores de 0,3 e 0,5%PPA se classificam como ligantes elastoméricos 60/85-E e suas respectivas misturas asfálticas possuem maior resistência a deformação permanente quando submetidos a altas temperaturas, maior resistência ao desgaste e menor susceptibilidade a umidade, indicando que tais misturas podem ser usadas como alternativa a misturas asfálticas convencionais, principalmente para regiões de clima tropical.
The polymer modified asphalt mixtures are increasingly being used to satisfy the growing road traffic needs, improving their resistance conditions and the asphalt coating durability under the action of heavy loads. The reactive/non-reactive polymers and the polyphosphoric acid, separated, are largely used as modifiers for the asphalt binders whose objective is to improve its mechanical properties. However, the combined use of them can provide better results that individually. This researches objective was to evaluate the mechanical behavior of the asphalt mixtures when modified with reactive/non-reactive polymer associated with the polyphosphoric acid as a catalyst in different contents. There were performed physical and mechanical tests on the 50/70 binder with the addition of ethylene methyl acrylate and glycidyl methacrylate (EMA-GMA) commercially known as S74, high density thermo-polymer (SX500) and polyphosphoric acid (PPA 116%), before and after the short term aging process (RTFO). The same procedures were performed on the 50/70 and 55/75 non modified binders. Asphalt mixtures were designed with 1,8%S74, 0,3SX500 associated with varied contents of 0,15; 0,30 and 0,50% PPA 116% and analyzed in relation to its mechanical behavior by means of traction resistance, resilience module, dynamic module, flow number, modified lotman and cântabro wear tests. The results indicate that the asphalt mixtures modified with reactive/non-reactive polymer associated with the polyphosphofic acid in the contents of 0,3 and 0,5%PPA are classified as 60/85-E elastomeric binders and have a higher permanent deformation resistance when subjected to high temperatures, greater wear resistance and lower susceptibility to humidity, indicating that this mixtures can be used as an alternative to conventional asphalt mixtures, mainly in tropical climate regions.
Key-words: high performance binders; reactive polymer; asphalt binder. .
SUMÁRIO CAPÍTULO 1 ... 17 1 INTRODUÇÃO ... 17 1.1 Objetivos ... 20 1.1.1 Objetivo Geral ... 20 1.1.2 Objetivos Específicos ... 20 1.2 Organização do trabalho ... 20 CAPÍTULO 2 ... 22 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 22 2.1 Revestimento asfáltico ... 22
2.2 Principais defeitos dos revestimentos asfálticos ... 23
2.3 Reologia de ligantes asfálticos ... 25
2.4 Polímeros modificadores de ligantes asfálticos ... 27
2.4.1 Principais polímeros utilizados na modificação de ligantes asfálticos ... 29
2.4.2 Uso de Polímeros elastômeros termoplásticos ... 30
2.4.3 Polímeros não reativos ... 33
2.4.4 Ácido polifosfórico como modificador de ligantes asfálticos ... 34
2.4.5 Considerações finais da fundamentação teórica... 38
CAPÍTULO 3 ... 40
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 40
3.1 Materiais utilizados ... 41
3.1.1 Ligante asfáltico ... 41
3.1.2 Modificadores do ligante asfáltico ... 41
3.2 Métodos ... 42
3.2.1 Composição dos ligantes asfálticos com os modificadores ... 42
3.2.2 Determinação do teor de polímero reativo e não reativo... 42
3.2.3 Determinação do teor de ácido polifosfórico ... 42
3.2.4 Determinação das composições de mistura ... 43
3.2.5 Ensaios com os ligantes ... 44
3.2.5.1 Envelhecimento de ligantes asfálticos ... 44
3.2.5.2 Envelhecimento de ligantes asfálticos a curto prazo ... 45
3.2.7 Ponto de amolecimento ... 46
3.2.8 Recuperação elástica... 46
3.2.9 Adesividade ... 47
3.2.10 Viscosidade rotacional ... 48
3.3 Dosagem superior performing asphalt pavements (SUPERPAVE) ... 48
3.4 Propriedade físicas e mecânicas dos agregados ... 49
3.4.1 Caracterização dos agregados ... 49
3.4.2 Granulometria ... 50
3.4.3 Absorção e densidades dos agregados graúdos ... 51
3.4.4 Densidade do Agregado Miúdo ... 53
3.4.5 Massa específica dos agregados graúdos e miúdos ... 53
3.4.6 Equivalente a areia... 54
3.4.7 Abrasão “Los Angeles” ... 55
3.4.8 Forma das partículas ... 56
3.4.9 Angularidade dos agregados graúdos e miúdos ... 57
3.4.10 Adesividade do ligante betuminoso ... 58
3.5 Procedimento de dosagem ... 59
3.5.1 Compactação dos corpos de prova ... 62
3.5.1.1 Método Rice Test ... 63
3.5.1.2 Teores estimados para os ligante estudados ... 66
3.6 Ensaios mecânicos de concreto asfáltico ... 67
3.6.1 Resistência a tração indireta por compressão diametral ... 67
3.6.2 Módulo de Resiliência ... 68
3.6.3 Módulo Dinâmico ... 70
3.6.4 Deformação Permanente... 72
3.6.5 Dano por Umidade Induzida - Lottman ... 73
3.6.6 Desgaste Cântabro ... 74
CAPÍTULO 4 ... 76
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 76
4.1 Ensaios Empíricos com os Ligantes Puro e modificados ... 76
4.1.1 Ensaio de Penetração ... 76
4.1.2 Ponto de Amolecimento ... 78
4.1.4 Viscosidade Rotacional ... 82
4.1.5 Variação da massa após envelhecimento a curto prazo (RTFO) ... 85
4.2 Ensaios mecânicos com ligantes puro e modificados ... 86
4.2.1 Resistência a Tração ... 86
4.2.2 Lottman Modificado ... 87
4.2.3 Desgaste Cântabro ... 89
4.2.4 Módulo de Resiliência ... 89
4.2.5 Módulo Dinâmico ... 91
4.2.6 Deformação Permanente (Flow Number) ... 97
CAPÍTULO 5 ... 100
5 CONCLUSÕES ... 100
6 SUGESTÕES PARA PESQUISAS FUTURAS ... 102
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Limites da resolução n°32 da ANP para ligantes 60/85-E ... 30
Tabela 2 - Graus do ácido fosfórico ... 35
Tabela 3 - Ligantes e teores de polímeros utilizados na modificação do ligante asfáltico. ... 43
Tabela 4 - Tempos de mistura dos polímeros Polimul S74, Polimul SX500 e PPA116% ... 44
Tabela 5 – Normas dos ensaios de caracterização física e mecânico dos ligantes asfálticos ... 44
Tabela 6 - Ensaios de agregados e especificações ... 49
Tabela 7 - Distribuição granulométrica por peneiramento (% retida) ... 50
Tabela 8 - Ensaio de massa específica com agregados graúdos e miúdos ... 53
Tabela 9 - Ensaio de equivalente a areia dos agregados miúdos ... 54
Tabela 10 - Ensaio de angularidade do agregado miúdo ... 58
Tabela 11 - Proporções dos agregados nas granulometrias ... 61
Tabela 12 - Gmb corrigidos e critérios ... 64
Tabela 13 - Critérios da dosagem SUPERPAVE ... 66
Tabela 14 - Nível de tensão referente a cada temperatura ... 71
Tabela 15 - Ensaios físicos e mecânicos dos ligantes asfálticos ... 86
Tabela 16 - Ensaio desgaste cântabro ... 89
Tabela 17 - Ensaio de Módulo de Resiliência ... 90
Tabela 18 - Ensaio Flow number das misturas asfálticas ... 97
Tabela 19 - Valores mínimos de Flow Number para diferentes níveis de tráfego ... 97
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Deformação permanente por afundamento da trilha de roda ... 25
Figura 2 - Representação química do polímero RET ... 32
Figura 3 - Reação do asfalteno com o polímero do tipo RET ... 32
Figura 4 - Fluxograma de ensaios... 40
Figura 5 - Equipamento do RTFO (LEP/UFCG) ... 45
Figura 6 - Ensaio de recuperação elástica ... 47
Figura 7 - Ensaio de recuperação elástica ... 47
Figura 8 - Viscosímetro rotacional Brookfield (LEP/UFCG) ... 48
Figura 9 - Curva granulométrica dos agregados ... 51
Figura 10 - Ensaio para determinação da forma das partículas ... 57
Figura 11 - Etapa da avaliação visual do ensaio de adesividade ... 59
Figura 12 - Fluxograma do processo de dosagem SUPERPAVE ... 60
Figura 13 - Curva granulométrica superior ... 61
Figura 14 - Curva granulométrica intermediária ... 61
Figura 15 - Curva granulométrica inferior ... 62
Figura 16 - Equipamento para ensaio de determinação do Gmm (Rice Test – LEP/UFCG) ... 63
Figura 17 - Prensa do ensaio de resistência a tração ... 67
Figura 18 - Ensaio módulo de resiliência ... 69
Figura 19 - Ensaio de módulo dinâmico ... 71
Figura 20 - Explicação do cálculo do módulo dinâmico ... 72
Figura 21 – Regiões durante o ensaio uniaxial de carga repetida e obtenção do FN. .... 73
Figura 22 - Ensaio de penetração à 25°C antes e após RTFO ... 76
Figura 23 - Porcentagem da penetração retida (PPR)... 78
Figura 24 - Ponto de amolecimento (PA) antes e após envelhecimento em RTFO, em °C. ... 79
Figura 25 - Variação do Ponto de Amolecimento ... 80
Figura 26 - Recuperação elástica dos ligantes puro e modificados ... 81
Figura 27 - Viscosidade dos ligantes nas três temperaturas ensaiadas ... 83
Figura 28 - Temperaturas de usinagem e compactação ... 84
Figura 30 - Ensaios de resistência a tração ... 87
Figura 31 - Resistência retida à tração... 88
Figura 32 - Módulo de resiliência... 90
Figura 33 - Porcentagem de recuperação retardada a 10% RT ... 91
Figura 34 - Resultado de módulo dinâmico em função da frequência de aplicação de carga... 92
Figura 35 - Módulo dinâmico das misturas à 4°C ... 93
Figura 36 - Módulo dinâmico das misturas à 21°C ... 93
Figura 37 - Módulo dinâmico das misturas à 37°C ... 94
Figura 38 - Ângulos de fase referentes às frequências de carregamento (T=4°C) ... 95
Figura 39 - Ângulos de fase referentes às frequências de carregamento (T=21°C) ... 95
AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
AEMA Asphalt Emulsion Manufacturers Association ASTM American Society for Testing Materials CAP Cimento Asfáltico de Petróleo
CP Corpo de Prova
DNIT Departamento Nacional de Infraestrutura de Transportes
EDX Energy Dispersive X-ray
EPI´s Equipamentos de Proteção Individual EUA Estados Unidos da América
FHWA Federal Highway Administration Gl Massa Específica do Ligante
Gmm Massa Específica Máxima Medida da Mistura GMA Metacrilato de Glicidila
HDPE Polietileno de Alta Densidade
HMA Hot Mix Asphalt
HPAs Hidrocarbonetos Policíclicos Aromáticos
LEA Low Energy Asphalt
LEP Laboratório de Engenharia de Pavimentos LVDTs Linear Variable Differential Transducer
Mag Massa de agregado
ME Método de Ensaio
MR Módulo de Resiliência
N Número
NBR Norma Brasileira Registrada
NCHRP National Cooperative Highway Research Program
NM Norma Mercosul
Pag Percentual de Agregado na Mistura
PB Paraíba
Pl Teor de Ligante
RBV Relação Betume x Vazios
RRT Relação de Resistência Retida à Tração
RT Resistência à Tração
RTFO Rolling Thin-Film Oven
SHRP Strategic Highway Research Program SUPERPAVE Superior Performing Asphalt Pavements TCU Temperatura de Compactação e Usinagem
TNM Tamanho Nominal Máximo
UFC Universidade Federal do Ceará
UFCG Universidade Federal de Campina Grande VAM Vazios do Agregado Mineral
Vla Volume de Ligante Absorvido Vle Volume de Ligante Efetivo
C
APÍTULO 1
1 INTRODUÇÃO
Os pavimentos flexíveis são estruturas de múltiplas camadas onde o revestimento é a camada destinada a receber e transmitir as cargas provenientes do tráfego de veículos de forma atenuada as camadas subjacentes do pavimento. Com o aumento do volume de tráfego, do excesso de carga transportada por eixo, pouco planejamento e intervenções/conservações, aliados as condições ambientais como as altas temperaturas de serviço, fazem com que a vida útil do revestimento asfáltico diminua (SOBREIRO, 2014). Uma das formas para tentar diminuir e/ou solucionar os efeitos desses fatores é a busca por novos materiais que melhorem a durabilidade e o comportamento dos componentes da mistura asfáltica (ligante asfáltico e materiais pétreos) que compõem o revestimento asfáltico.
Nessa perspectiva, no que diz respeito ao ligante asfáltico, muitos estudos são realizados, principalmente com a adição de modificadores, avaliando o seu comportamento quando modificado comparativamente com os ligantes asfálticos não modificados. Os ligantes asfálticos modificados com polímeros tem sido muito utilizado pela indústria de pavimentos, como uma forma de otimizar as propriedades do ligante quanto aos principais defeitos que podem vir a surgir nos revestimentos asfálticos como a deformação permanente (GAMA, 2016). A seleção do tipo de polímero ou copolímero, reativo ou não, ou qualquer outro modificador a ser utilizado depende dos requisitos de desempenho mecânico que se deseja para a camada de revestimento asfáltico.
O copolímero SBS, pertence à classe dos elastômeros termoplásticos é o polímero mais difundido na indústria de modificadores para a pavimentação asfáltica devido aos ganhos de desempenho mecânico que o mesmo proporciona quando adicionados ao ligante. No entanto, no ano de 2009 o mercado mundial de SBS foi atingido por uma escassez de butadieno, que afetou o fornecimento e o custo deste polímero em todo o mundo (XIÃO et al., 2014). Desde então houve uma preocupação da indústria e da academia pela procura por diferentes alternativas de polímeros para substituir o SBS, sem perder qualidade proporcionada por este ligante na camada de revestimento.
Os polímeros termoplásticos são conhecidos por seu baixo custo quando comparado aos polímeros elastômeros termoplásticos. Nesta categoria de termoplásticos, existem as poliolefinas podendo ser do tipo polietileno (PE) e polipropileno (PP) estas são as mais conhecidas e podem ser utilizadas como modificador de ligante asfáltico de forma individual ou como co-modificador. Apesar dos termoplásticos propiciarem aumento da rigidez, podendo resultar em maior resistência a deformação permanente, o seu uso como modificador individual pode apresentar limitações proporcionando separação de fase entre polímero e ligante quando misturado e estocado dependendo do teor utilizado.
Os polímeros reativos (RET), são do tipo de materiais que ao serem adicionados ao ligante asfáltico ocorrem reações químicas, ao contrário dos polímeros não-reativos, onde a mistura é apenas física. Segundo Jasso et al., (2015) quando misturado o polímero reativo com o ligante asfáltico, há evidência de ocorrência de ligações químicas covalentes entre grupos reativos destes polímeros com o ligante asfáltico. Com isso a separação de fase nesse tipo de mistura dificilmente ocorrerá.
O ácido polifosfórico vem sendo utilizado como modificador desde os anos 70, na intenção de obter ligantes asfálticos com viscosidade mais elevada, sem reduzir a penetração. No entanto, estudos apontam que o uso do ácido polifosfórico não está restrito apenas a modificação do ligante de forma individual, é possível utiliza-lo como catalizador de ligantes modificados por terpolímeros reativos funcionando como acelerador químico entre o terpolímero reativo e o ligante, ou até mesmo ser utilizado em combinado com outros ligantes como poliolefinas ou até mesmo SBS.
As misturas asfálticas com elevado desempenho mecânico e de alta resistências as deformações plásticas e elásticas, podem ser uma excelente alternativa para serem usadas em lugares onde o custo de manutenção do revestimento asfáltico é muito elevado, devido ao alto fluxo de veículos como por exemplo corredores de ônibus, BRT, garrafões de praças de pedágios etc.
Portanto, acredita-se que o uso combinado dos polímeros reativo (S74), não reativo (SX500) e o ácido polifosfórico (PPA116%), podem sem usados na modificação do ligante convencional (50/70) e este novo ligante ser uma excelente opção de ligante de elevado desempenho mecânico. Com isso será possível minimizar problemas no revestimento asfáltico, como a deformação permanente comum em regiões com o clima
tropical. Para isso foi estudado o comportamento mecânico dos ligantes e das misturas asfálticas, com o ligante convencional (50/70) modificado com polímero reativo e não reativo associados a diferentes teores de ácido polifosfórico e comparados os seus resultados com o comportamento mecânico dos ligantes e das misturas asfálticas com o ligante convencional (50/70) sem modificação e com o ligante 55/75. Acredita-se ser possível identificar composições que possam atender às especificações com polímeros, vida de serviço do revestimento asfáltico, com economia e segurança para os usuáriaos.
1.1 Objetivos 1.1.1 Objetivo Geral
Avaliar as propriedades mecânicas de misturas asfálticas com CAP 50/70 modificado por Polímero Reativo (Polimul S74), Polímero não-reativo (Polimul SX-500) associados ao Ácido Polifosfórico (PPA).
1.1.2 Objetivos Específicos
avaliar as propriedades físicas e reológicas de ligantes asfálticos: 55/75-E, convencional 50/70 e modificado por Polímero Reativo (Polimul S74), Polímero não Reativo (Polimul SX-500) e Ácido Polifosfórico;
verificar se os ligantes modificados se caracterizam como ligante elastômeros da classe 60/85 - E, seguindo as especificações da ANP n° 04/2010;
verificar o efeito do aumento do teor de ácido polifosfórico no ligante modificado por polímero reativo e não reativo, nas propriedades mecânicas da mistura asfáltica;
avaliar as propriedades mecânicas de misturas asfálticas no que concerne: susceptibilidade a umidade, resistência à tração, resistência a deformação plástica (deformação permanente) e resistência a abrasão;
1.2 Organização do trabalho
Esta dissertação é composta de cinco capítulos e anexos. A seguir uma breve descrição do assunto abordado em cada um deles.
Capítulo 1 - Introdução, Objetivos e Organização do Trabalho.
Capítulo 2 - Compreende a fundamentação teórica, onde são abordados os assuntos mais relevantes ao desenvolvimento deste trabalho.
Capítulo 3 - São descritos todos os materiais utilizados na pesquisa, bem como os procedimentos experimentais adotados para o desenvolvimento desta dissertação.
Capítulo 4 - São apresentados e analisados os resultados obtidos no programa experimental.
Capítulo 6 - São apresentados sugestões para pesquisas futuras.
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APÍTULO 2
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo estão apresentados as referências bibliográficos relevantes para o desenvolvimento desta pesquisa. São abordados tópicos sobre a utilização de ligantes asfálticos. Na sequência foi realizada uma análise dos principais defeitos de pavimentos asfálticos e suas relações com o comportamento reológico do ligante. Em seguida, é apresentada uma revisão da literatura sobre o uso de polímeros para modificação de ligantes asfálticos, com ênfase maior para as classes: dos elastômeros, termoplásticos e polímeros reativos (onde estes podem ter comportamento elastomérico e ser termoplástico). Conclui-se o capítulo com uma análise de pesquisas feitas utilizando alguns polímeros reativos, não reativos e ácido polifosfórico, utilizados de forma individual ou combinados como modificador de ligantes, sobre o ponto de vista da reologia do ligante asfáltico ou sobre o comportamento da mistura asfáltica contendo esses ligantes modificados.
2.1 Revestimento asfáltico
Segundo Bernucci (2007) a maioria dos pavimentos brasileiros são do tipo flexíveis e uma das camadas que formam este tipo de pavimento é a camada de revestimento, formada por uma mistura de agregados minerais graúdos e miúdos e por ligantes asfálticos, que de forma adequadamente proporcionada e processada garanta ao serviço executado os requisitos de impermeabilidade, flexibilidade, estabilidade, durabilidade, resistência à fadiga e ao trincamento térmico, de acordo com o clima e o tráfego previstos para o local.
Para o DNIT(1996), os revestimentos asfálticos são constituídos pela associação de agregados e materiais betuminosos, e pode ser feito de duas formas: por penetração ou por mistura.
O revestimento asfáltico por mistura é feito por meio da mistura de agregados graúdos, miúdos e ligante asfáltico. O concreto asfáltico é então transportado até o local de aplicação, sendo transferido para uma unidade de aplicação (vibro acabadora) que distribuirá a mistura na pista para então ser compactada. De acordo com o processo
construtivo, os revestimentos por misturas podem ser ainda classificadas como pré-misturada a frio (esse tipo só será possível se se o tipo de agregados e ligantes a serem utilizados na mistura asfáltica permitirem que a mistura e o espalhamento da mistura seja feita à temperatura ambiente) e pré-misturada a quente (quando é necessário o aquecimento do ligante e do agregado para que seja realizada a mistura dos mesmos) (NEGRÃO, 2006).
Alguns processos de modificação dos ligantes têm por objetivo fazê-lo tornar-se um material mais rígido ao receber esforços, consequentemente sofrendo menos deformações, e mais flexível ao aliviar os mesmos esforços, ou seja, apresentar maior recuperação elástica. Outros objetivos principais na modificação do CAP são: elevar a coesão do material; reduzir a susceptibilidade térmica; baixar a viscosidade à temperatura de aplicação; resultar em CAP de baixa fluência; apresentar elevada resistência à deformação plástica, fissuração e fadiga; garantir boa adesividade e melhor resistência ao envelhecimento (BALBO, 2007).
2.2 Principais defeitos dos revestimentos asfálticos
Com o aumento do volume de tráfego nas últimas décadas tem aumentado as solicitações aos pavimentos e com isso a necessidade de se investir no desenvolvimento de pavimentos mais resistentes as cargas provenientes do tráfego e as intempéries do clima. A “vida de serviço” ou “vida útil” do pavimento, é o período no qual ele oferece boas condições de desempenho e qualidade ao usuário. As principais falhas que podem ocorrer e levar a redução da vida de serviço de um pavimento asfáltico são: deformação permanente (afundamento de trilha de roda), trincas por fadiga e trincas de origem térmica (LESUEUR, 2009).
A deformação permanente consiste no acúmulo de pequenas deformações que se iniciam a partir do início da ação do tráfego e sua progressão pode ser dada pelo enfraquecimento do pavimento ao trincamento. A consequência da deformação permanente é o afundamento das trilhas de roda nos pavimentos. Esse tipo de falha no pavimento é típico de regiões que possuem altas temperaturas, a aplicação de cargas podem levar ao acumulo de pequenas deformações plásticas na superfície do pavimento. Por essa razão, uma das maneiras de combater a deformação permanente na camada de revestimento é proporcionando ao ligante asfáltico maior resistência, para isso é preciso que este ligante seja mais rígido e/ou mais elástico, permitindo que após a aplicação de
carga o mesmo retorne à posição inicial após dissipação da mesma (SOBREIRO, 2014). Vários fatores podem contribuir para o surgimento dos defeitos no pavimento: projeto, execução das camadas, suporte das camadas que compõem o pavimento dentre outros.
Para o DNIT(2003), a deformação permanente é caracterizada por depressão da superfície do pavimento, acompanhada, ou não, de solevamento, podendo ainda apresentar-se sob a forma de afundamento plástico ou de consolidação. Com tudo pode-se dizer que a deformação permanente ocorre em decorrência da deformação viscosa do ligante asfáltico, juntamente com a deformação plástica da estrutura mineral (material pétreo) da mistura asfáltica, isto para problemas estruturais, mas este tipo de defeito pode ser ocasionado por problemas não ligados a estrutura do pavimento e sim por problemas funcionais.
No que diz respeito ao ligante para diminuir o surgimento desse tipo de defeito na camada de revestimento é necessário aumentar a resistência ao cisalhamento, para isso no que diz respeito ao ligante é importante que o mesmo seja rígido e elástico o suficiente para que ao ser aplicado carregamento, a mistura asfáltica seja,igualmente resistente e elástica o suficiente para que após solicitação retorne a sua posição original, evitando a deformação plástica na camada. Na Figura 1 é apresentado um esquema da ocorrência da deformação permanente por afundamento da trilha de roda.
Figura 1 - Deformação permanente por afundamento da trilha de roda
Fonte: Autora (2018)
Outro tipo de falha comum nos pavimentos são as trincas por fadiga, também está relacionada ao tráfego, onde a falha no pavimento pode surgir devido a aplicação de cargas repetidas. Esse fenômeno pode ser entendido como o comprometimento do pavimento devido as tensões provocadas pelo fluxo de veículos, chegando a provocar a perda de resistência da camada de revestimento, levando à formação de trincas superficiais. Apesar de ser considerado um defeito de superfície por se originar e se desenvolver dentro ou próximo da camada de revestimento, não significa que os outros componentes da estrutura não tenham influência no seu desenvolvimento.
Segundo Shell (2003), a fadiga de um pavimento flexível provoca trincas, que possuem duas fases principais: (1) trincamento inicial e (2) propagação das trincas. As trincas surgem devido as tensões geradas pelo tráfego e pela variação de temperatura e práticas de construção. A trinca de origem térmica é mais provável de ocorrer em regiões de clima frio, onde o asfalto apresenta um estado vítreo que reduz sua capacidade de dissipação de carga (LESUEUR, 2009).
2.3 Reologia de ligantes asfálticos
Segundo Sobreiro (2014), a definição de reologia como “estudo da deformação e fluxo da matéria” foi proposta pela Sociedade Americana de Reologia por ocasião de sua fundação, em 1929. Estejam os materiais estudados na forma de líquido ou sólido, serão
estudados em termos de elasticidade e viscosidade. Por ser um material viscoelástico, o ligante asfáltico pode apresentar tanto um comportamento elástico como viscoso, ou ambos, esses comportamentos serão influenciados pela temperatura em que os mesmos estejam submetidos. Por isso que a forma de estudo dos materiais sob o ponto de vista da reologia, está relacionada à relação tensão versus deformação (ou mudança de forma), assim como o tempo de aplicação de carga e temperatura. O conhecimento dessas propriedades podem contribuir para compreender o desempenho do ligante asfáltico puro e modificado, quando submetidos à tensão decorrentes do tráfego de veículos.
A importância da reologia dos ligantes asfálticos se dá pelas seguintes razões segundo Mothé (2009):
Relacionar as propriedades reológicas com os defeitos na camada de revestimento do pavimento;
Diferenciar os asfaltos vindos de diferentes petróleos e diferentes processos de refino;
Ajudar na seleção das temperaturas para as operações de usinagem e compactação da camada de revestimento asfáltica.
Existem métodos empíricos de reologia para avaliação de ligantes asfálticos, como por exemplo penetração, ponto de amolecimento, viscosidade Sayboltfurol, recuperação elástica e ductibilidade, apesar de serem ensaios antigos em sua maioria ainda são muito utilizados no Brasil. No entanto já existem novas especificações para avaliação do ligante asfáltico, como as conhecidas por SUPERPAVE, que apresentam procedimentos diferenciados de ensaios de ligante e mistura.
Além de avaliar o desempenho mecânico do ligante asfáltico seja ele puro ou modificado sobre o ponto de vista da reologia é de suma importância estudar o comportamento mecânico da mistura, para avaliar como este ligante se comporta quando misturado com os agregados, compondo assim a mistura asfáltica. Diante disto, nesta pesquisa será estudado o comportamento dos ligantes puro e modificados e das misturas asfálticas com os respectivos ligantes e assim avaliar e prever com melhor confiabilidade o comportamento destes ligantes em campo na camada de revestimento do pavimento flexível.
2.4 Polímeros modificadores de ligantes asfálticos
A modificação dos ligantes asfálticos surgiram da necessidade de melhorar o desempenho e durabilidade dos pavimentos flexíveis, proporcionando assim o aumento da vida útil do pavimento e economia. Para Bernucci et al., (2007), nem todos os polímeros podem ser adicionados ao ligante asfáltico. Assim deve existir cuidado na escolha do polímero a ser utilizado para evitar problemas de compatibilidade e estocagem do material.
Os polímeros são substâncias macromoleculares que podem ser obtidas de forma natural (madeira, óleo, fibra etc) ou podem ser obtidos artificialmente pela união de pequenas moléculas. Estes matérias são substâncias que podem ser classificados de maneiras diferentes, de acordo com a finalidade classificatória, as principais são:
a) Quanto à ocorrência: Naturais ou Sintéticos; b) Quanto à Preparação: Adição e Copolímeros; c) Quanto à Cadeia: Homogêneos e Heterogêneos; d) Quanto à Estrutura: Lineares ou Tridimensionais; e) Industrial: Elastômeros, Plásticos e Fibras.
O aumento da temperatura em ligantes asfálticos modificados com polímero aumenta a velocidade das reações químicas. Os ligantes modificados por polímeros de uma forma geral são menos sensíveis a temperatura e essa é uma das vantagens oferecidas por esses modificadores. Para Negrão (2006) a temperatura na qual os polímeros são passíveis de sofrer reação química é aquela na qual os mesmos perdem sua resistência mecânica.
Os polímeros termosensíveis se classificam industrialmente como: plásticos. Fibras e elastômeros. No entanto, a classificação menos acadêmica e mais direcionada ao meio rodoviário, segundo DNIT(1998) são os polímeros termorrígidos, termoplásticos, elastômeros e elastômeros termoplásticos.
Os polímeros Termorrígidos não se fundem, degradam a uma determinada temperatura limite e endurecem irreversivelmente quando aquecido a uma temperatura
que depende de sua estrutura química (Negrão 2006). Exemplo tem-se a resina epóxi, poliuretano e outros. Os termoplásticos: são os polímeros que se fundem e se tornam maleáveis reversivelmente quando aquecidos. Exemplo desse tipo de polímero tem-se o polietileno, o policloreto de vinila etc.
Os polímeros Elastômeros quando aquecidos se decompõem antes de amolecer, e apresentam propriedades elásticas que lembram a borracha. Como exemplo tem-se o SBR entre outros (DNER,1998). Já os elastômeros-termoplásticos: ao serem aquecidos se comportam como termoplásticos, mas em temperatura mais baixa apresentam propriedades elásticas. Tem-se como exemplo de polímero termo-plástico o SBS e o RET.
A utilização de polímero dos mais diversos tipos e categorias, é uma prática comum, pois várias pesquisas tem mostrado que a modificação do ligante tem proporcionado melhorias no desempenho da camada de revestimento asfáltica, devido principalmente ao aumento da resistência à deformação permanente, assim como também proporciona uma redução dos efeitos prejudiciais do envelhecimento do ligante asfáltico. Segundo Kalantar et al., (2012) uma boa forma de melhorar o desempenho do ligante é otimizando suas propriedades reológicas e os matérias poliméricos são os principais modificadores. No entanto a escolha do material a ser utilizado será de acordo com o tipo de pavimento e de desempenho que se deseja obter. Para Zhu et al., (2014) a modificação do ligante asfáltico pode não ser a melhor opção para melhorar a qualidade da Rodovia, pois o problema pode não está na camada de revestimento e sim nas camadas subjacentes. Apesar das melhorias proporcionadas ao ligante asfáltico com a incorporação de polímeros, em muitos casos tem-se o comprometimento da trabalhabilidade da mistura durante a construção da camada de revestimento. Por essa razão uma das alternativas para tentar solucionar esse problema é acrescentar a mistura aditivos que melhorem o manuseio do material, atuando na viscosidade da mistura asfáltica sem comprometer a melhoria das propriedades reológicas. Dentre esses materiais pode-se citar o ácido polifosfórico, que tem sido bastante indicado por ser capaz de aumentar a qualidade do ligante modificado com polímero (SOBREIRO, 2014).
2.4.1 Principais polímeros utilizados na modificação de ligantes asfálticos
Segundo Gama (2016), os polímeros mais utilizados atualmente na modificação de ligantes asfálticos são:
Borrachas sintéticas, conhecidos como elastômeros termoplásticos (SBR ou tribloco SBS por exemplo);
Copolímeros termoplásticos, por exemplo o copolímero de etileno-acetato de vinila (EVA) ou de moléculas relacionadas (etileno metacrilato, etileno butilacrilato, etc);
Poliolefinas, como o polietileno (PE) e o polipropileno (PP);
Copolímero que não são termoplásticos como etileno, glicil metacrilato (GMA) e um grupo éster (comumente metila, etila ou butilacrilato), referenciados como Terpolímeros Reativos e Etileno (RET), devido a supostas reações químicas que ocorrem entre o ligante e o polímero.
Segundo Zhu et al., (2014) o uso de polímeros sintéticos na pavimentação asfáltica teve seu início após a Segunda Guerra Mundial. Desde então pesquisas (GAMA,2016; SHIVOKHIN et al., 2012; POLACCO et al., 2004) foram e estão sendo realizadas na intenção de melhorar ainda mais a qualidade dos pavimentos e as condições de rolamento para os usuários.
Existem polímeros que ao serem misturados ao ligante asfáltico ocorre reação química, mas também existem polímeros que ao serem misturados com o ligante a mistura é apenas física. Para Shivokhin et al., (2012) os polímeros utilizados na pavimentação asfáltica como modificador do ligante, são classificados como “ativos” ou “passivos”, referindo a compatibilidade entre os polímeros e os ligante. Os passivos são os polímeros que ao serem misturados com o ligante não reagem quimicamente ocorrendo apenas uma mistura física, os mais utilizados na pavimentação são: SBS, SBR, PE e EVA, já os polímeros ativos são os que reagem quimicamente com o ligante asfáltico ao ser misturado, por exemplo de polímero reativo aplicado na pavimentação são os polímeros a base de Metracrilato de Glicidila (GMA). No Brasil os polímeros mais utilizados na modificação de ligante asfáltico são: SBS, SBR, EUA e do tipo reativo (RET) (NEGRÃO, 2006).
2.4.2 Uso de Polímeros elastômeros termoplásticos
Elastômeros Termoplásticos é a classe de mais utilizada em todo o mundo na pavimentação asfáltica, e por essa razão é a mais estudada na academia científica e pela indústria. O polímero mais conhecido desta classe é o copolímero tribloco de estireno e butadieno SBS (AIREY, 2003). No Brasil este elastômero é bastante utilizado e foi adotado pela ANP n° 32 como padrão para as especificações de ligantes elastomérico modificado. Segundo a classificação da ANP n° 32 de 2007 para um ligante asfáltico ser considerado elastomérico, devem estar incluso em uma das três classe: 50/77-E; 60/85-E ou 65/90-E. Essa classificação é feita numericamente, através do Ponto de Amolecimento mínimo (°C) e pela Recuperação Elástica (RE) mínima à 25°C (%). Essas especificações da ANP n°32 de 2007 foram normatizadas pela DNIT 129/2011. As especificações podem ser observadas na Tabela 1.
Tabela 1 - Limites da resolução n°32 da ANP para ligantes 60/85-E
No Brasil o polímero do tipo RET foi introduzido no mercado brasileiro no segundo semestre de 2002 e, nesta ocasião, foi executado em um segmento experimental na SP-330-Rodovia Anhanguera, qual é administrada pela concessionária AutoBan (NEGRÂO, 2005).
Segundo Fernandes et al., (2008) no que diz respeito aos ensaios convencionais de reologia, a modificação do ligante com a adição do copolímero SBS apresentou uma redução da penetração, com o aumento da rigidez e aumento do ponto de amolecimento, com esses resultados é possível prever no que diz respeito a contribuição mecânica do
ligante asfáltico na mistura, uma redução nos problemas de plastificação e deformação do pavimento por escoamento dos ligantes.
Um outro ponto de interesse a ser observado nos ligantes asfálticos quando modificados com o SBS houve aumento da resistência ao envelhecimento que ocorre no material na usina e na aplicação em campo. Quanto às propriedades convencionais Domingos e Faxina (2013) observaram em pesquisas anteriores a esta que a adição do copolímero SBS no ligante asfáltico reduziu a sensibilidade do ligante modificado ao envelhecimento a curto prazo quanto ao ponto de amolecimento e a penetração retida. Apesar de o polímero SBS ser muito utilizado pela indústria de ligantes modificados para aplicação em pavimentos asfálticos, existem desvantagens relacionadas ao seu uso, as principais dela é o alto custo e a separação de fase (GAMA, 2016). Por ser o modificador asfáltico mais utilizado na modificação de ligantes e apontado como o melhor em termos de desempenho, existem pontos que devem ser estudados pois são considerados pontos de falha.
Em 2008 o mercado de SBS foi atingido por uma queda de suprimento de betume, o que afetou a produção de ligantes modificados por SBS em todo o mundo. A AMAP (The Association of Modified Asphalt Producers) divulgou uma lista de modificadores de ligante como alternativa em caso de futuros problemas de suprimento. Alguns dos materiais citados foram: EVA (Copolímero de Etileno Acetato de Vinila); PPA (Ácido Polifosfórico) podendo ser utilizado como modificador junto ao SBS ou como catalizador com o polímero RET (Termolímero Elastomérico Reativo).
Como alternativa para solucionar os problemas de estabilidade dos oleofínicos, no final dos anos 80 foram desenvolvidos copolímeros a base de etileno, contendo anéis epóxi em sua cadeia, sendo atualmente comercializados como terpolímeros randônicos de etileno, metacrilato de glicidila (GMA) e um grupo éster (normalmente, etil ou butil acrilato) (POLACCO et al., 2004). Na Figura 2 é apresentado a estrutura química do RET.
Figura 2 - Representação química do polímero RET
A classificação de terpolímero significa que a cadeia possui três tipos de monômeros diferentes na cadeia.
A reação química que ocorre entre o RET e o asfalteno presente no ligante asfáltico está representado na Figura 3.
Figura 3 - Reação do asfalteno com o polímero do tipo RET
A reação entre o polímero RET e o asfalteno (do ligante asfáltico) se dá através do copolímero Glicidil Metacrilato e esta é uma reação de adição e portanto não gera sub-produto como vapor d’água ou gases voláteis.
Gama et al., (2016) realizaram o uso do polímero reativo POLIMUL S-74 (Metacrilato de Glicidila-GMA). O teor de polímero adicionado foi de 1,8%. Um dos objetivos do estudo era avaliar se o CAP 50/70 modificado por este polímero reativo
poderia ser classificado segundo as especificações da ANP n° 32 para ligantes elastoméricos 60/85-E.
Bulatovic et al., (2014), observaram que o ligante modificado aumenta a recuperação elástica a altas temperaturas, essas análises foram realizadas a partir dos ensaios de reologia. Além disso, os ligantes estudados nesta pesquisa foram estocados a elevada temperatura para observar separação de fase pela diferença de ponto de amolecimento. Os ligantes apresentaram ótimo desempenho à estocagem graças à reação química entre o ligante e o terpolímero RET. Apesar do bom desempenho do ligante modificado com polímero a base de GMA, é destacado na pesquisa o cuidado que se deve ter com a gelificação de certos ligantes asfálticos pela adição de maiores teores de terpolímero reativo, que no caso dos estudos de Bulatovic et al., (2004) ocorreu com 1,9% de EBA-GMA.
2.4.3 Polímeros não reativos
Segunda principal categoria de polímeros mais utilizados para modificação do ligante asfáltico (POLACCO et al., 2015). Pôr a mistura do polímero não reativo ao ligante asfáltico ocorrer sem reação química, não é preciso controle da reação como ocorre com os ligantes reativos, tornando a mistura mais prática. Neste grupo existem os termoplásticos que são a segunda principal categoria de polímeros utilizados na modificação de ligantes asfálticos. Possuem um menor custo que os elastômeros termoplásticos, porém são muito diferentes em termos de desempenho, isto ocorre por sua mistura com o ligante ser apenas física, sem que ocorra nenhuma reação química.
A classe de termoplásticos possuem uma característica de “plasticidade”. Polímeros desta classe apresentam quando usados na camada de revestimento asfáltica aumento da rigidez e melhorias das deformações plásticas sobre as cargas de tráfego (POLACCO et al., 2015). As poliolefinas são uma categoria do grupo dos termoplásticos e são muito estudadas na modificação de ligantes asfálticos.
Segundo Polacco et al., (2005) devido aos benefícios e ao baixo custo, vários materiais da categoria das poliolefinas, já foram e são estudados para modificar asfalto, alguns desses materiais são: polietileno (PE). Polipropileno (PP), polietileno de alta densidade (HDPE ou PEAD) e polietileno de baixa densidade linear (LLDPE ou
PELBD). A compatibilidade das poliolefinas com os ligantes asfálticos é baixa, devido a natureza não polar e aromática desses materiais.
Pérez-Leme et al., (2006) estudou misturas de HDPE a ligante asfáltico e analisou diversas misturas com variados teores de HDPE, variando de 1% a 5% por peso de HDPE e realizou testes de estabilidade a estocagem. Nas análises reológicas feitas antes e após a estocagem constataram que há uma clara diferenciação entre as propriedades reológicas dos ligantes modificados após a estocagem. Observaram um elevado grau de inchamento do polímero que mesmo misturado a alta temperatura, o polímero não se envolve na matriz do ligante asfáltico.
Gama et al., (2016) avaliaram misturas asfálticas modificados com o teor de 0,3% de HDPE e observaram que antes e após o RTFO as misturas apresentaram um aumento de rigidez e não apresentou recuperação elástica, confirmando que este tipo de mistura não tem característica elastomérica. Apesar dos bons resultados das misturas com incorporação de HDPE, os autores observaram que quando associados ao ácido polifosfórico e ao polímero reativo os resultados reológicos foram superiores.
2.4.4 Ácido polifosfórico como modificador de ligantes asfálticos
O ácido polifosfórico (PPA116%) é um oligômero do ácido fosfórico, a produção de PPA com um grau de pureza elevado pode ser feito tanto pela desidratação do ácido fosfórico quanto pelo aquecimento de pentóxido de fósforo disperso em ácido fosfórico (MASSON, 2008).
Segundo Baugardnet et al., (2005) a primeira patente (US37512785) que descreve as modificações do ligante asfáltico com a adição de ácido fosfórico, foi publicada em 1973. Desta forma, desde os anos 1970 o PPA tem sido utilizado como um modificador não polimérico de ligantes asfálticos, proporcionando melhoria nas propriedades reológicas, como aumento na temperatura alta do grau de desempenho (PG) a alta temperatura (FEE et al., 2010; D’ANGELO, 2012; PAMPLONA, 2013), acréscimo do ponto amolecimento e redução dos valores de penetração e aumento dos valores de viscosidade rotacional (ORANGE et al., 2004, LEITE et al., 2004).
A modificação do ligante asfáltico pode ser realizada por qualquer ácido fosfórico. Existem vários graus de ácido fosfórico encontrados no mercado, contendo diferentes
quantidades de ácido ortofosfórico, tais com 50; 75; 85 e 100%. No entanto os ácidos polifosfóricos podem conter quantidades de 105 a 116% de ácido (ARNOLD, 2008).
O composto básico utilizado para a produção de ácido polifosfórico (PPA) é o pentóxido de fósforo (𝑃2𝑂5) e o ácido fosfórico (𝐻3𝑃𝑂4), sendo disponível em vários graus. No entanto, o grau pode gerar confusão, pois pode exceder os 100%. Na Tabela 2 são apresentados alguns exemplos.
Tabela 2 - Graus do ácido fosfórico
Ácido Fosfórico Fórmula 𝑃2𝑂5(%) Ácido Fosfórico (%) Orto 𝐻3𝑃𝑂4 72,4 100 75,9 105 Piro 𝐻4𝑃2𝑂7 79,4 110 Tri 𝐻5𝑃3𝑂10 82,6 114
Na Tabela 2, pode ser observado que o ácido ortofosfórico (110%) contém 79,4 % de 𝑃2𝑂5 calculado a partir da relação do peso molecular de 𝑃2𝑂5
𝐻3𝑃𝑂4 . O grau de ácido fosfórico é obtido pela relação entre os teores de 𝑃2𝑂5 do ácido em questão com o 𝑃2𝑂5 do ácido ortofosfórico (100%). Desta forma, para o ácido pirofosfórico a relação 79,4 / 72,4 determina o grau de ácido fosfórico de 110% (MASSON, 2008). Este método de cálculo é aplicado para todos os ácidos existentes, inclusive o PPA116%.
Vários estudos foram realizados objetivando esclarecer melhor o mecanismo de interação entre o ligante asfáltico e o modificador (PPA). Pamplona et al., (2012) avaliaram o efeito da adição de teores de PPA (0,5; 1,0; 1,5 e 2,0) ao ligante asfáltico de diferentes fontes, com diferentes composições químicas e de diferentes graus de desempenho. Essas amostras de ligantes modificados foram submetidas a ensaios de reologia para determinação do PG (Grau de Desempenho) e ao ensaio de MSCR. Com isso os autores observaram que em função da sua composição química, alguns ligantes adquiriram maiores ganhos com menor consumo de ácido polifosfórico (PPA), enquanto que outros ligantes necessitam de maior consumo de PPA.
Gama et al., (2016) por meio de estudos de ensaios reológicos, observou que a modificação de ligantes asfálticos com PPA leva ao aumento da rigidez do ligante, pelo aumento da viscosidade e ponto de amolecimento. Desta forma os autores concluem que a modificação do ligante melhora a resistência a deformação permanente, principalmente a elevadas temperaturas.
Para Pamplona et al., (2013) ao avaliar curvas de vida de fadiga, observou que a medida que ouve o aumento da deformação aplicada, os ligantes modificados com o PPA passaram a ser mais sensíveis e portanto resistiam menos a deformação, diminuindo a vida de fadiga. Conclui-se, portanto, que o uso do ácido polifosfórico se mostra favorável nos casos em que o pavimento esteja sujeito a pequenas deformações, ou seja pavimentos sujeitos a deformações elevadas não seriam beneficiados por este modificador.
Estudos feitos por vários autores como Kodrat et al., (2007); Martin et al., (2006) e Gama et al., (2016) apontam que o uso do ácido polifosfórico não está restrito a modificação individualmente, a adição do PPA pode ser feita também como acelerador da reação química entre o terpolímero reativo e o ligante asfáltico, resultando também na diminuição do teor de polímero ou chegando a combinar com outros polímeros como por exemplo o SBS.
Como dito anteriormente, os ligantes asfálticos podem ser modificados por diversos tipos de polímeros reativos ou não e por ácidos polifosfóricos de forma individual ou em conjunto. Para Lesuer (2009) o uso do ácido polifosfóricoao ligante já modificado por polímero, pode ser mais eficiente que o uso destes modificadores separadamente.
Estudos realizados por Domingos e Faxina (2013), mostraram que a adição de teores de ácido polifosfórico (0,5%) ao ligante asfáltico já modificado por SBS possibilitou diminuir 1,5% do teor de SBS, preservando o PG (Performace Grade), mesmo com a redução do teor de polímero. Os ligantes asfálticos modificados com SBS e ácido polifosfórico, apresentaram melhor comportamento frente à susceptibilidade à deformação permanente quando comparados com ligantes modificados somente com o copolímero SBS. Segundo Domingos e Faxina (2015) as propriedades de recuperação elástica e fluência através do ensaio MSCR para um ligante modificado por 1,3% de ácido polifosfórico (PPA) e comparou com outro ligante modificado com a composição de 1,3% de Evaloy EP4170 (polímero reativo) e 0,3% de PPA. As análises foram realizadas
com várias temperaturas. Os resultados mostraram que as modificações apresentaram melhoras nas propriedades estudadas do ligante, melhorando a elasticidade e o ligante modificado pela adição de RET e PPA apresentou resultados mais expressivos, segundo os autores o ácido polifosfórico ajudou a manter o comportamento elástico mesmo com o aumento da temperatura e variação de tensão aplicada.
Polacco et al., (2015) propuseram que a combinação de poliolefinas com RET, podendo ser estudada como forma de obter o benefício de estabilizar a poliolefina à estocagem e otimizar o uso do RET. No entanto Segundo Gama (2016) essa combinação não havia sido testada até Varela et al., (2016) estudar e propor a co-modificação do polímero RET à base de GMA (Polimul S74) com diferentes teores de HDPE (Polimul SX-500) de 0,1 a 1,0%, utilizando ainda o ácido polifosfórico como catalizador.
O resultados de Varela et al., (2016) avaliaram as propriedades reológicas e observaram que os modificadores ao serem adicionados ao ligante asfáltico modificaram suas propriedades elásticas e de rigidez, houve ainda aumento da consistência do ligante asfáltico e de seu ponto de amolecimento. No entanto os autores constaram que devido a alta consistência viscosa da mistura asfáltica podem ser necessárias altas temperaturas de usinagem e compactação, podendo assim dificultar a trabalhabilidade com o ligante.
Grande (2011) estudou as propriedade mecânicas de misturas asfálticas produzidas com ligantes asfálticos modificados com diferentes teores de ácido polifosfórico (PPA) e com isso observou que ocorreu quando comparado com o ligante puro um aumento da rigidez, na flexibilidade, na resistência à tração e diminuição da susceptibilidade ao dano por umidade nas misturas com o ligante modificado. Já Nuñez
et al. (2012), estudou o comportamento mecânico de misturas asfálticas com ligantes
modificados pelo copolímero SBS, com e sem a adição de PPA, observou que houve também aumento da rigidez e da resistência a tração, sendo que as misturas que continham ligante modificado com SBS e PPA apresentaram um aumento de 50% a mais no resultado da resistência a tração, quando comparado com a mistura de referência. Na avaliação do dano à umidade das misturas, o autor verificou que as misturas com ligante modificado são pouco susceptíveis à umidade.
Bernnet & Martin (2012) avaliaram as propriedades mecânicas de misturas asfálticas, com ligantes asfálticos modificados com 4,25% SBS, sem a presença de ácido e com a presença do ácido polifosfórico (0,5% PPA+2,5% SBS), no estudo os autores
concluíram que a resistência a deformação permanente e a fadiga foram semelhantes para as misturas estudadas. Apesar do resultado dos ensaios mecânicos das misturas terem dado semelhantes, os ensaios que avaliaram os ligantes modificados (MSCR), apontaram maior tolerância à deformação permanente para o ligante modificado com apenas o copolímero SBS.
Segundo Sobreiro (2014) foram realizadas pesquisas em Otário, mediante pista experimental, sugeriram que o uso do ácido polifosfórico (PPA) pode prevenir as trincas longitudinais que podem ocorrer entre as faixas de tráfego, dependendo da formulação utilizada. A pista experimental foi construída no Canadá, no ano de 2003 e foi feita uma avaliação após três anos de concluída, foi observado que não ocorreu nenhum tipo de trincamento no pavimento e também foi observado o bom desempenho das misturas modificadas.
Gama (2016) avaliou o comportamento mecânico de misturas asfálticas com ligantes modificados com 1,8%S74+0,3%SX500+0,15%PPAe comparou os resultados obtidos com misturas asfálticas com ligante puro. Conclui-se que a resistência a deformação permanente, a tração e a resistência a fadiga das misturas com o ligante modificado foram bem melhores, chegando a apresentar uma resistência à deformação permanente 34 vezes maior do que a mistura de referência. Também foi observado na pesquisa a melhora da elasticidade da mistura, estudado através do ensaio de módulo dinâmico (MD). Com essa análise foi verificado que a mistura com o ligante modificado sob elevado volume de tráfego e alta temperatura a mistura mantém sua elasticidade e diminui a rigidez, enquanto que sob baixo volume de tráfego a mesma se mantém mais rígida, evitando assim a deformação permanente.
2.4.5 Considerações finais da fundamentação teórica
Nesta revisão foi possível observar a importância dos polímeros reativos, não reativos e do ácido polifosfórico, como alternativas de modificadores para o ligante asfáltico, por apresentarem estabilidade a estocagem, devido a ocorrência de reação química entre o ligante asfáltico e o modificador. Contudo, problemas de gelificação do ligante restringem os teores que podem ser utilizados, tornando o desempenho desses modificadores inferior à dos elastômeros termoplásticos. Desta forma, a proposta desta pesquisa é o uso combinado de um polímero reativo EMA-GMA com um polímero não
reativo (poliolefina HDPE) associados a incorporação de ácido polifosfórico (PPA116%) ao ligante asfáltico convencional 50/70.
C
APÍTULO 3
3 MATERIAIS E MÉTODOSEste capítulo contém informações sobre os procedimentos de laboratório adotados e os resultados obtidos com a caracterização dos materiais utilizados (agregado e ligante), que serviram como informações preliminares para as etapas de análise do comportamento mecânico das misturas asfálticas. As atividades foram realizadas segundo o que está descrito no fluxograma da Figura 4, em conformidade com órgãos reguladores Nacionais e Internacionais (ABNT, DNIT, AASHTO e ASTM).
O método experimental foi dividido em três etapas. A primeira foi a caracterização e posterior classificação dos materiais utilizados (ligantes asfálticos, agregados graúdos e miúdos). Esse estudo foi de grande importância para o conhecimento dos materiais e fundamental para a etapa seguinte, a de dosagem da mistura asfáltica, e posteriormente os ensaios mecânicos, concluindo com as análises dos resultados. Todas essas etapas serão detalhadas neste capítulo. A pesquisa foi desenvolvida no Laboratório de Engenharia de Pavimentos – LEP sediado na Universidade Federal de Campina Grande.
3.1 Materiais utilizados
Os materiais utilizados foram: CAP 50/70, CAP 55/75, agregados graúdos Brita 19mm, 12,5mm e agregados miúdos areia e o pó de pedra. Foram utilizados também dois polímeros (PolimulS74, PolimulSX500) e um ácido polifosfórico (PPA116%).
3.1.1 Ligante asfáltico
Os ligantes asfálticos utilizados nesta pesquisa foram: o ligante puro 50/70 cedido pela empresa Rocha Cavalcante, o ligante modificado 55/75 cedido pela empresa JBR Engenharia.
Os Ensaios de reologia empírica e de misturas asfáltica, foram realizados na Universidade Federal de Campina Grande.
3.1.2 Modificadores do ligante asfáltico
Foram utilizados nesta pesquisa, ácido polifosfórico e dois tipos de polímero: a) Ácido Polifosfórico (PPA) a 116%;
b) Terpolímero Reativo (RET) de Etileno Acrilato de Metila e Metacrilato de Glicidila (EMA-GMA), com teor de GMA de 6%, comercialmente denominado Polimul S74®;
c) Polietileno de Alta Densidade (PEAD), comercialmente denominado Polimul SX-500®;
3.2 Métodos
A avaliação do desempenho dos ligantes, foi realizada a partir da caracterização empírica, ensaios com agregados e testes mecânicos em amostras dosadas segundo a metodologia SUPERPAVE.
3.2.1 Composição dos ligantes asfálticos com os modificadores
Com o intuito de analisar se os ligantes modificados se caracterizavam como ligantes elastoméricos do tipo 60/85-E foi utilizado como parâmetro as especificações da resolução n° 32 de 21 de setembro de 2010 da Agência Nacional de Petróleo (ANP) – Regulamento técnico ANP n° 04/2010 para ligantes asfálticos elastomérico.
3.2.2 Determinação do teor de polímero reativo e não reativo
Pesquisas realizadas utilizando polímero reativo na modificação de ligantes asfálticos sugerem que esteja na faixa de 1,5 a 2,5% por peso de material para que as propriedades elásticas sejam alcançadas com segurança sem que ocorra comprometimento do ligante. O polímero reativo Polimul S74®; foi utilizado o teor de 1,8 com base em pesquisas bibliográficas (PALACCO et al., 2015; GAMA et al., 2016; VARELA et al., 2016).
O polímero não reativo Polimul SX500® foi utilizado como co-modificador para o ligante junto ao Polimul S74® e o Ácido Polifosfórico (PPA106%). Com base em pesquisas anteriores a utilização deste polímero se deu no teor de 0,3% (GAMA et al., 2016) por peso de ligante.
3.2.3 Determinação do teor de ácido polifosfórico
O ácido polifosfórico foi utilizado de forma a otimizar o uso do Polimul S74®, nos teores de 0,15%, 0,3% e 0,5% por peso de ligante. Os dois primeiros teores foram estudados por Gama (2016), analisando o comportamento mecânico dos ligantes e apenas o comportamento mecânico da mistura com o teor de 0,15% PPA. Nesta pesquisa o teor de 0,15% PPA foi novamente testado para análise do comportamento do ligante e da mistura asfáltica com outros tipos de agregados. Foram estudados também os teores 0,3% e 0,5% PPA, para avaliar o comportamento mecânico com teores mais elevados de ácido polifosfórico (PPA).
3.2.4 Determinação das composições de mistura
Para o desenvolvimento da pesquisa as misturas CAP-polímeros foram realizadas adicionando ao CAP puro 1,8% do Polimul S74, 0,3% do Polimul SX500 e 0,15; 0,3 e 0,5% do PPA.
Para avaliar as propriedades mecânicas do ligante convencional 50/70 do ligante modificado 55/75 e do ligante 50/70 modificado por polímeros e ácido polifosfórico, cada um com os seus respectivos teores de modificadores, foram divididos em grupos conforme a Tabela 3.
Tabela 3 - Ligantes e teores de polímeros utilizados na modificação do ligante asfáltico.
Grupos Polimul S74 Polimul SX 500 PPA 116% Ligante Asfáltico 50/70 Ligante Asfáltico 55/75 A _ _ _ 100% _ B _ _ _ _ 100% C 1,80% 0,30% 0,15% 97,75% _ D 1,80% 0,30% 0,30% 97,60% _ E 1,80% 0,30% 0,50% 97,40% _
O grupos foram nomeados de “A” a “E” conforme detalha na Tabela 1: (i) Ligante puro 50/70, denominado “A” utilizado como base para verificação do efeito dos modificadores; (ii) Amostra “B” Ligante modificado 55/75 já encontrado no mercado utilizado também como base para verificação do efeito dos modificadores; (iii) Amostras “C”, “D” e “E” fixando 1,8% de Polimul S74® e Polimul SX-500® e variando o teor de 0,15%, 0,3% e 0,5% de PPA respectivamente.
A mistura asfáltica dos polímeros e do ácido com o ligante asfáltico puro foi realizada em laboratório utilizando um agitador mecânico com rotação de 500rpm. O ligante asfáltico foi aquecido a uma temperatura entre 160 - 165°C essa temperatura foi mantida durante todo o processo. A ordem de adição dos modificadores ao ligante 50/70 se deu na ordem apresentada na Tabela 4, respeitando os tempos de mistura especificados. Todo esse processo de mistura teve como base a pesquisa Gama et al., 2016.
Tabela 4 - Tempos de mistura dos polímeros Polimul S74, Polimul SX500 e PPA116%
Amostra Polimul S74 Polimul SX 500 PPA 116%
A _ _ _
B _ _ _
C 1h 30min 30min
D 1h 30min 30min
E 1h 30min 30min
Após o processo de mistura, os ligantes com adição de Polimul S74®, Polimul SX-500® e PPA 116% foram submetidos a um processo de cura realizado em estufa a 160°C por 12 horas, para simular o processo industrial de espera para aplicação em campo (PÉREZ-LEPE et al., 2006; JASSO et al., 2015; GAMA et al., 2016).
3.2.5 Ensaios com os ligantes
Foram realizados ensaios de caracterização física e reológica das amostras de CAP 50/70, CAP 55/75 e CAP modificado com diferentes teores de Polimul S74®, Polimul SX-500® e PPA 116%. Na Tabela 5 apresenta as normas utilizadas para a realização dos ensaios.
Tabela 5 – Normas dos ensaios de caracterização física e mecânico dos ligantes asfálticos
Ensaios Métodos
Viscosidade Rotacional NBR 15184/04
Ponto de Amolecimento DNIT ME 131/2010
Penetração DNIT ME 155/2010
Recuperação Elástica DNIT ME 130/2010
3.2.5.1 Envelhecimento de ligantes asfálticos
O envelhecimento de um ligante asfáltico pode ser definido como sendo o processo de enrijecimento que o mesmo sofre durante a usinagem, estocagem, aplicação e em serviço, onde haverá alterações de suas características mecânicas além das químicas e reológicas podendo causar um aumento na sua consistência. Testes são feitos para avaliar as propriedades relacionadas a durabilidade do ligante asfáltico, nesta pesquisa foi feito o ensaio para simular o envelhecimento a curto prazo, este tipo de envelhecimento
